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研究背景

光学涡旋是自然界中普遍存在的现象，因其在多种领域中的应用潜力而成为研究热点。光学涡旋携带轨道角动量（OAM），在光学通信、光学成像、微操控等领域中具有重要应用。然而，在光学涡旋的传输过程中，保持其OAM并防止其形态失真一直是一个挑战。传统的光学涡旋在传播过程中容易发生衍射和解体，特别是高阶涡旋，容易破裂成多个低阶涡旋，导致控制和操控变得更加复杂。因此，如何实现涡旋的稳定传输并保持其OAM特性，成为了光学研究中的一个重要课题。

成果简介

为了解决这一问题，南开大学许京军，Hrvoje Buljan & 陈志刚等人在Nature Photonics期刊上发表了题为“Topological orbital angular momentum extraction and twofold protection of vortex transport”的最新论文。研究者提出了利用拓扑缺陷，特别是拓扑错位结构，来实现光学涡旋的稳定传输。拓扑错位具有独特的几何特性和拓扑保护作用，能够在保持轨道角动量的同时，引导涡旋流动。

科学家们通过设计具有不同旋转对称性的光子拓扑错位晶格，构建了一个能够实现单通道涡旋引导的系统。通过该系统，光学涡旋能够在不受干扰的情况下进行传输，并有效地过滤出特定的OAM模式。

研究亮点

（1）实验首次利用拓扑位错结构实现了光学涡旋的鲁棒传输，并成功地保持了涡旋的形状和轨道角动量（OAM）。该研究展示了一种通过拓扑位错来引导和保护涡旋的方法，具备了高阶拓扑电荷的涡旋传输能力。

（2）实验通过两重拓扑保护机制，分别是在动量空间和实空间的拓扑效应，实现了OAM模式的传输。动量空间的拓扑结构由手征对称性提供保护，而实空间的拓扑结构则通过复杂的OAM模式耦合保护了选定的OAM模式，使得光学涡旋能够在拓扑位错核心沿着光波导传输，并避免了其他模式的干扰。

（3）通过数值模拟，研究表明，涡旋的拓扑电荷与系统的旋转对称性之间存在普适关系，即涡旋-协调旋转对称性（VRS）。这一发现揭示了如何通过调整位错的旋转对称性，选择特定的OAM模式，并有效地滤除其他不需要的模式。实验结果验证了该方法在不同旋转对称性下的有效性，并展示了基于拓扑结构的涡旋过滤器功能，能够从混合激发中提取和保护选定的OAM模式。

图文解读

图1: 通过拓扑旋错的双重保护涡旋传输示意图。

图2: 在拓扑旋错中，沿单通道涡旋输运的实验演示。

图3: 基于拓扑旋错，零能涡旋模式的动量空间保护。

图4: 涡流传输的真实空间保护，以及旋转对称性rotational symmetry VRS介导的非平凡卷绕的通用规则。

图5: 基于拓扑旋错，从混合模激励中提取（滤波）轨道角动量orbital angular momentum，OAM。

结论展望

本文的研究为拓扑保护的涡旋传输提供了新的视角和理论依据。通过引入具有手性对称性的拓扑缺陷，我们能够有效地提取角动量（OAM）模式，并利用拓扑缺陷的双重保护机制实现涡旋模式的稳定传输。

这一工作突破了传统的光纤和波导设计，展示了如何通过结构的拓扑性质保护涡旋模式，使其在各种扰动下依然保持稳定。此外，研究还揭示了拓扑相位、涡旋度和对称性之间的相互关系，为未来设计具有自我保护功能的光学通信网络提供了新的理论支持。

通过对不同拓扑缺陷的构建与实验验证，本文展示了如何通过细致的结构调控在光学、声学以及拓扑电路等领域实现涡旋模式的稳定传输和精确过滤。这为拓扑光子学的发展和应用开辟了新的方向，特别是在量子信息、光通信等前沿领域，具有广泛的应用潜力。

文献信息

Hu, Z., Bongiovanni, D., Wang, Z. et al. Topological orbital angular momentum extraction and twofold protection of vortex transport. Nat. Photon. (2024).

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